RU2646547C1 - Laser radiation photoconverter - Google Patents
Laser radiation photoconverter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2646547C1 RU2646547C1 RU2016145473A RU2016145473A RU2646547C1 RU 2646547 C1 RU2646547 C1 RU 2646547C1 RU 2016145473 A RU2016145473 A RU 2016145473A RU 2016145473 A RU2016145473 A RU 2016145473A RU 2646547 C1 RU2646547 C1 RU 2646547C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- gaas
- wide
- gap
- thickness
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims description 22
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 53
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 10
- 229910000980 Aluminium gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 8
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 7
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical group [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical group [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 abstract description 14
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 14
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 11
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 9
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 3
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 3
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 2
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 238000006862 quantum yield reaction Methods 0.000 description 2
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 description 2
- PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N tellurium atom Chemical compound [Te] PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 MOS hydride Chemical class 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
- H01L31/0264—Inorganic materials
- H01L31/0304—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. phototransistors
Landscapes
- Bipolar Transistors (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано для создания фотопреобразователей (ФП) лазерного излучения.The invention relates to semiconductor electronics and can be used to create photoconverters (FP) of laser radiation.
Как показывают теоретические данные, эффективность преобразования монохроматического (в частности, лазерного) излучения в диапазоне длин волн 0,8-86 мкм для фотопреобразователей на основе GaAs может достигать 85-87% при мощности падающего излучения 100 Вт/см2. Таким образом, задача улучшения характеристик ФП лазерного излучения, таких как квантовый выход и КПД, является весьма актуальной для современной электроники и фотоники.As theoretical data show, the conversion efficiency of monochromatic (in particular, laser) radiation in the wavelength range of 0.8-86 μm for GaAs-based photoconverters can reach 85-87% with an incident radiation power of 100 W / cm 2 . Thus, the task of improving the characteristics of the phase transition of laser radiation, such as quantum yield and efficiency, is very important for modern electronics and photonics.
Известен фотопреобразователь лазерного излучения на основе GaAs (см. Tiqiang Shan, Xinglin Qi, Design and optimization of GaAs photovoltaic converter for laser power beaming, 2015, м. 71, p. 144-150), включающий подложку из n-GaAs толщиной 350 мкм (концентрация электронов Nn=5⋅1018 см-3), буферный слой из n-GaAs толщиной 1 мкм (Nn=5⋅1018 см-3), слой тыльного потенциального барьера из n-AlGaAs толщиной 0,05 мкм (Nn=5⋅1018 см-3), базовый слой из n-GaAs толщиной 3,5 мкм (Nn=1⋅1017 см-3), эмиттерный слой из p-GaAs толщиной 0,5 мкм (концентрация дырок Np=2⋅1018 см-3), слой широкозонного окна из p-GaInP толщиной 0,05 мкм (Np=5⋅1018 см-3), контактный слой из p+-GaAs толщиной 0,5 мкм (Np=5⋅1019 см-3), который впоследствии вытравливают на фоточувствительной области ФП, тыльный и лицевой омические контакты, двухслойное антиотражающее покрытие из TiO2/SiO2 для спектрального диапазона 810-840 нм. Эффективность таких элементов составила 53,2% при мощности падающего излучения 5 Вт/см2 для длины волны 808 нм.A known GaAs laser photoconverter (see Tiqiang Shan, Xinglin Qi, Design and optimization of GaAs photovoltaic converter for laser power beaming, 2015, p. 71, p. 144-150), including a 350-μm thick n-GaAs substrate (electron concentration N n = 5⋅10 18 cm -3 ), a buffer layer of n-
Недостатком известного фотопреобразователя является высокое последовательное сопротивление растекания, связанное с малой толщиной слоя широкозонного окна, что обеспечивает его работоспособность только до мощности 5 Вт/см2.A disadvantage of the known photoconverter is the high sequential spreading resistance associated with the small thickness of the wide-gap window layer, which ensures its operability only up to a power of 5 W / cm 2 .
Известен фотопреобразователь лазерного излучения на основе GaAs (см. E. Oliva, F. Dimroth and A.W. Bett. Converters for High Power Densities of Laser Illumination. - Prog. Photovolt: Res. Appl., 2008, 16:289-295), содержащий подложку из n-GaAs, слой тыльного потенциального барьера из n+-GaInP (Nn=8⋅1018 см-3), базовый слой из n-GaAs, эмиттерный слой из p-GaAs, слой широкозонного окна из p+-GaInP и контактный слой из p+-Al0,5GaAs (Np=1,5⋅1019 см-3) или из p++-Al0,5GaInAs (Np=1⋅1020 см-3), который впоследствии вытравливают на фоточувствительной области ФП, тыльный контакт из Pd/Ge к n-GaAs, лицевой контакт из слоев Ti/Pd/Ag и антиотражающее покрытие из двух слоев: TaOx и MgF2. Эффективность таких фотопреобразователей варьируется от 52% до 54,9% при интенсивности падающего излучения 10-20 Вт/см2 для длины волны 810 нм.A known GaAs-based laser photoconverter (see E. Oliva, F. Dimroth and AW Bett. Converters for High Power Densities of Laser Illumination. - Prog. Photovolt: Res. Appl., 2008, 16: 289-295) containing a substrate of n-GaAs, a layer of the back potential barrier of n + -GaInP (N n = 8⋅10 18 cm -3 ), a base layer of n-GaAs, an emitter layer of p-GaAs, a layer of a wide-gap window of p + -GaInP and a contact layer of p + -Al 0.5 GaAs (N p = 1.5 × 10 19 cm -3 ) or from p ++- Al 0.5 GaInAs (N p = 1 × 10 20 cm -3 ), which is subsequently etched on the photosensitive region of the phase transition, the back contact from Pd / Ge to n-GaAs, the front contact from the Ti / Pd / Ag layers and the antireflection coating and of two layers: TaO x and MgF 2 . The efficiency of such photoconverters varies from 52% to 54.9% with an incident radiation intensity of 10-20 W / cm 2 for a wavelength of 810 nm.
К недостатку известного фотопреобразователя относится усложненная технология его изготовления (использование большого количества разных газов для выращивания слоев разного элементного состава, а следовательно, повышенные требования к очистке реактора от нежелательных примесей). Кроме того, в случае использования широкозонного контактного слоя p+-Al0,5GaAs может увеличиваться последовательное сопротивление структуры из-за большого переходного сопротивления металл-полупроводник.The disadvantage of the known photoconverter is the complicated technology of its manufacture (the use of a large number of different gases for growing layers of different elemental composition, and therefore, increased requirements for cleaning the reactor from undesirable impurities). In addition, in the case of using a wide-gap p + -Al 0.5 GaAs contact layer, the series resistance of the structure can increase due to the large metal-semiconductor transition resistance.
Наиболее близким к настоящему техническому решению по совокупности существенных признаков является фотопреобразователь лазерного излучения (см. патент RU 2547004, МПК H01L 31/18, опубл. 10.04.2015), принятый за прототип и включающий подложку из n-GaAs, легированную оловом, буферный слой из n-GaAs толщиной не менее 10 мкм, легированный оловом или теллуром, базовый слой из n-GaAs толщиной 3-5 мкм, легированный оловом или теллуром, эмиттерный слой из p-GaAs толщиной 1,5-2,0 мкм, легированный магнием, слой из p-AlxGa1-xAs толщиной 3-30 мкм, легированный магнием или германием, при x=0,3-0,4 в начале роста слоя и при x=0,10-0,15 в приповерхностной области слоя, тыльный омический контакт из Au(Ge)/Au, лицевой омический контакт из Cr/Au и двухслойное антиотражающее покрытие (ZnS/MgF2).The closest to this technical solution for the combination of essential features is a laser radiation photoconverter (see patent RU 2547004, IPC H01L 31/18, publ. 04/10/2015), adopted as a prototype and including a tin-doped n-GaAs substrate, a buffer layer of n-GaAs with a thickness of at least 10 μm doped with tin or tellurium, a base layer of n-GaAs with a thickness of 3-5 μm doped with tin or tellurium, an emitter layer of p-GaAs with a thickness of 1.5-2.0 μm doped with magnesium a layer of p-Al x Ga 1-x As with a thickness of 3-30 μm, doped with magnesium or germanium, at x = 0, 3-0.4 at the beginning of the layer growth and at x = 0.10-0.15 in the surface region of the layer, the rear ohmic contact from Au (Ge) / Au, the front ohmic contact from Cr / Au and a two-layer antireflection coating (ZnS / MgF 2 ).
Недостатками известного фотодетектора лазерного излучения является неполное собирание фотогенерированных носителей из базового слоя и высокое последовательное сопротивление, связанное с необходимостью нанесения верхнего металлического контакта непосредственно на слой широкозонного окна, содержащего алюминий.The disadvantages of the known laser photodetector are the incomplete collection of photogenerated carriers from the base layer and the high series resistance associated with the need to apply the upper metal contact directly to the wide-gap window layer containing aluminum.
Задачей настоящего решения является создание такого фотодетектора лазерного излучения, который обладал бы высоким уровнем квантовой эффективности в диапазоне 800-860 нм, а также пониженным последовательным сопротивлением, что обеспечит повышение его КПД, а также возможность увеличения преобразуемой мощности лазерного излучения.The objective of this solution is to create such a laser radiation photodetector, which would have a high level of quantum efficiency in the range of 800-860 nm, as well as a reduced series resistance, which will increase its efficiency, as well as the ability to increase the converted laser radiation power.
Поставленная задача достигается тем, что фотодетектор лазерного излучения включает полупроводниковую подложку из n-GaAs, на которую последовательно нанесены слой тыльного барьера из n-AlGaAs, базовый слой из n-GaAs, эмиттерный слой из p-GaAs, слой широкозонного окна из p-AlxGa1-xAs толщиной не менее 1 мкм, где 0,15<х<0,25, широкозонный стоп-слой из p-AlyGa1-yAs, где 0,6<y<0,7, и контактный подслой из p-GaAs.This object is achieved in that the laser photodetector includes an n-GaAs semiconductor substrate on which a back-barrier layer of n-AlGaAs, a base layer of n-GaAs, an emitter layer of p-GaAs, a layer of wide-gap window of p-Al are sequentially applied x Ga 1-x As with a thickness of at least 1 μm, where 0.15 <x <0.25, a wide-gap stop layer of p-Al y Ga 1-y As, where 0.6 <y <0.7, and p-GaAs contact sublayer.
Новым в настоящем фотопреобразователе является введение в структуру слоя тыльного потенциального барьера из n-AlxGa1-xAs, а также введение широкозонного стоп-слоя из p-AlyGa1-yAs, где 0,6<y<0,7, для травления контактного подслоя. Наличие тыльного барьера позволяет обеспечить полное собирание носителей, генерируемых в базовом слое. Наличие широкозонного стоп-слоя из p-AlyGa1-yAs, где 0,6<у<0,7, позволяет выполнить слой широкозонного окна из AlGaAs с малым содержанием алюминия, характеризующегося большей подвижностью носителей заряда и большей удельной проводимостью, что снижает сопротивление растекания фотодетектора. Кроме того, наличие широкозонного стоп-слоя из p-AlyGa1-yAs, позволяет использовать контактный подслой из GaAs, который обладаем очень малым переходным сопротивлением с металлическими контактами, что также понижает последовательное сопротивление структуры. Это условие не выполняется в фотодетекторе-прототипе, где отсутствие селективности для травления контактного подслоя приводит к необходимости осаждать металлический контакт непосредственно на слой широкозонного окна, обладающего большим переходным сопротивлением с металлическим контактом.New in this photoconverter is the introduction of the back potential barrier of n-Al x Ga 1-x As into the structure of the layer, as well as the introduction of a wide-gap stop layer of p-Al y Ga 1-y As, where 0.6 <y <0, 7, for etching the contact sublayer. The presence of the back barrier allows for the complete collection of carriers generated in the base layer. The presence of a wide-gap stop layer of p-Al y Ga 1-y As, where 0.6 <y <0.7, allows the layer of a wide-gap window made of AlGaAs with a low aluminum content, characterized by greater carrier mobility and higher conductivity, which reduces the spreading resistance of the photodetector. In addition, the presence of a wide-gap stop layer of p-Al y Ga 1-y As allows the use of a contact sublayer of GaAs, which has a very small transition resistance with metal contacts, which also reduces the series resistance of the structure. This condition is not satisfied in the prototype photodetector, where the lack of selectivity for etching the contact sublayer makes it necessary to deposit a metal contact directly on a layer of a wide-gap window having a high transition resistance with a metal contact.
Концентрация алюминия в слое широкозонного окна 0,15<x<0,25 обусловлена тем, что при меньшей концентрации возможен заброс фотогенерированных носителей заряда в слой широкозонного окна, где они могут рекомбинировать, не давая вклад в фототок. При концентрации алюминия более 0,25 уменьшение подвижности носителей заряда будет приводить к заметному росту его удельного сопротивления. Толщина слоя широкозонного окна обусловлена тем, что при толщине слоя менее 1 мкм его сопротивление будет больше, чем сопротивление эмиттера, и слой широкозонного окна не будет эффективно способствовать растеканию носителей заряда, так как растекание будет в основном проходить через слой эмиттера. При содержании в стоп-слое Al менее 0,6 не будет обеспечиваться эффективная селективность для травления контактного подслоя, а в случае увеличения концентрации y>0,7, стоп-слой будет иметь тенденцию к деградации вследствие окисления из-за большого содержания алюминия.The aluminum concentration in the wide-gap window layer 0.15 <x <0.25 is due to the fact that, at a lower concentration, photogenerated charge carriers can be thrown into the wide-gap window layer, where they can recombine without contributing to the photocurrent. At an aluminum concentration of more than 0.25, a decrease in the mobility of charge carriers will lead to a noticeable increase in its resistivity. The thickness of the wide-gap window layer is due to the fact that, with a layer thickness of less than 1 μm, its resistance will be greater than the resistance of the emitter, and the wide-gap window layer will not effectively contribute to the spreading of charge carriers, since the spreading will mainly pass through the emitter layer. If the content of Al in the stop layer is less than 0.6, effective selectivity for etching the contact sublayer will not be ensured, and if the concentration y> 0.7 increases, the stop layer will tend to degrade due to oxidation due to the high aluminum content.
В фотодетекторе лазерного излучения слой тыльного барьера может быть выполнен из n-AlzGa1-zAs толщиной 100 нм, где z=0,3, базовый слой из n-GaAs может быть выполнен толщиной 3200 нм, эмиттерный слой из p-GaAs может быть выполнен толщиной 400 нм, слой широкозонного окна из p-AlxGa1-xAs может быть выполнен толщиной 1000 нм, где x=0,20, широкозонный стоп-слой из p-AlyGa1-yAs может быть выполнен толщиной 50 нм, где y=0,65, а контактный подслой из p-GaAs может быть выполнен толщиной 300 нм.In the laser photodetector, the back barrier layer can be made of n-Al z Ga 1-z As 100 nm thick, where z = 0.3, the base layer of n-GaAs can be made 3200 nm thick, the emitter layer is made of p-GaAs can be made with a thickness of 400 nm, a wide-gap window layer of p-Al x Ga 1-x As can be made with a thickness of 1000 nm, where x = 0.20, a wide-gap stop layer of p-Al y Ga 1-y As can be made with a thickness of 50 nm, where y = 0.65, and the contact sublayer of p-GaAs can be made with a thickness of 300 nm.
В фотодетекторе лазерного излучения слой тыльного барьера из n-AlzGa1-zAs может быть легирован, например, атомами кремния на уровне (1-2)⋅1018 см-3, базовый слой из n-GaAs может быть легирован, например, атомами кремния на уровне (1-2)⋅1017 см-3, эмиттерный слой из p-GaAs может быть легирован, например, атомами цинка на уровне (1-2)⋅1018 см-3, слой широкозонного окна из p-AlxGa1-xAs может быть легирован, например, атомами цинка на уровне (1-2)⋅1019 см-3, широкозонный стоп-слой из p-AlyGa1-yAs может быть легирован, например, атомами кремния на уровне (1-2)⋅1018 см-3, а контактный подслой p-GaAs может быть легирован, например, атомами цинка на уровне (1-2)⋅1019 см-3.In the laser photodetector, the back-barrier layer of n-Al z Ga 1-z As can be doped, for example, with silicon atoms at the level of (1-2) ⋅ 10 18 cm -3 , the base layer of n-GaAs can be doped, for example silicon atoms at a level of (1-2) ⋅10 17 cm -3 , an emitter layer of p-GaAs can be doped, for example, zinc atoms at a level of (1-2) ⋅10 18 cm -3 , a layer of a wide-gap window from p -Al x Ga 1-x As can be doped, for example, with zinc atoms at the level of (1-2) ⋅10 19 cm -3 , a wide-gap stop layer of p-Al y Ga 1-y As can be doped, for example, silicon atoms at the level of (1-2) ⋅10 18 cm -3 , and the contact The p-GaAs sublayer can be doped, for example, with zinc atoms at the level of (1-2) ⋅10 19 cm -3 .
Настоящее техническое решение поясняется чертежом, где:This technical solution is illustrated in the drawing, where:
на фиг. 1 представлено схематичное изображение поперечного сечения настоящего фотодетектора лазерного излучения;in FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a true laser radiation photodetector;
на фиг. 2 приведен спектр квантовой эффективности фотодетектора лазерного излучения (кривая 8);in FIG. Figure 2 shows the quantum efficiency spectrum of a laser photodetector (curve 8);
на фиг. 3 приведены напряжение холостого хода (кривая 9), фактор заполнения вольтамперной характеристики (кривая 10) и КПД преобразования лазерного излучения (кривая 11) в зависимости от энергетической освещенности и фототока.in FIG. Figure 3 shows the open circuit voltage (curve 9), the filling factor of the current-voltage characteristic (curve 10), and the conversion efficiency of laser radiation (curve 11) depending on the energy illumination and photocurrent.
Настоящий фотодетектор лазерного излучения показан на фиг. 1. Он включает подложку 1, выполненную из n-GaAs, и последовательно осажденные слои: слой 2 тыльного барьера, выполненный из n-AlGaAs с толщиной, например, 100 нм, базовый слой 3, выполненный из n-GaAs с толщиной, например, 3200 нм, эмиттерный слой 4, выполненный из p-GaAs с толщиной, например, 400 нм, слой 5 широкозонного окна из p-AlxGa1-xAs с толщиной, например, 1000 нм, широкозонный стоп-слой 6, выполненный из p-AlyGa1-yAs с толщиной, например, 50 нм, и контактный подслой 7, выполненный из p-GaAs с толщиной, например, 300 нм, при этом толщина широкозонного слоя 5 из p-AlxGa1-xAs составляет не менее 1 мкм при концентрации алюминия 0,15<х<0,25, а концентрация алюминия в широкозонном стоп-слое 6 находится в диапазоне 0,6<y<0,7.The present laser photodetector is shown in FIG. 1. It includes a
Структура настоящего ФД представляет собой полупроводниковый p-n переход, разделяющий фотогенерированные носители за счет тянущего поля. При этом фотогенерированные носители диффундируют в сторону p-n перехода из глубины базового слоя 3 и эмиттерного слоя 4.The structure of this PD is a semiconductor pn junction separating photogenerated carriers due to a pulling field. In this case, the photogenerated carriers diffuse toward the pn junction from the depth of the
Выбранная конструкция ФД позволяет сократить потери на неполное поглощение фотонов в диапазоне 800-860 нм, для чего общая толщина фотопоглощающих слоев (эмиттерный и базовый) должна составлять не менее 3,5 мкм.The chosen design of the PD allows one to reduce losses due to incomplete absorption of photons in the range of 800-860 nm, for which the total thickness of the photoabsorbing layers (emitter and base) should be at least 3.5 microns.
Наличие в структуре настоящего ФД слоя 2 тыльного барьера наряду с уровнем легирования базового слоя 3 порядка (1-2)⋅1017 см-3 позволяет обеспечить полное собирание фотогенерированных носителей из базового слоя 3. Увеличение уровня легирования будет приводить к снижению диффузионной длины таких носителей, что не позволит им достигнуть области р-n перехода для разделения. Отсутствие слоя 2 тыльного барьера приведет к диффузии части носителей в подложку 1 с их последующей потерей. Малая толщина эмиттерного слоя 4 настоящего ФД лазерного излучения позволяет также обеспечить полное собирание фотогенерированных носителей.The presence in the structure of this PD of
Важной особенностью ФД лазерного излучения является большая падающая световая мощность, что приводит к генерации значительной плотности фототока. В этом случае резистивные потери могут играть значительную роль, ограничивая КПД ФД. Последовательное сопротивление складывается из последовательного сопротивления слоев и подложки, сопротивления растекания между контактными шинками в верхних p-слоях, а также из переходного сопротивления между полупроводником и металлическими контактами. Сопротивление растекания, как правило, на несколько порядков выше, поэтому оно является основным фактором, лимитирующим КПД, однако в случае нанесения металлических контактов на широкозонные слои, в особенности слои, содержащие алюминий, переходное сопротивление может также стать ограничивающим КПД фактором.An important feature of PD laser radiation is a large incident light power, which leads to the generation of a significant photocurrent density. In this case, resistive losses can play a significant role, limiting PD efficiency. The series resistance consists of the series resistance of the layers and the substrate, the spreading resistance between the contact bars in the upper p-layers, as well as the transition resistance between the semiconductor and the metal contacts. The spreading resistance, as a rule, is several orders of magnitude higher, therefore it is the main factor limiting the efficiency, however, in the case of applying metal contacts to wide-gap layers, in particular layers containing aluminum, the transition resistance can also become a limiting factor in the efficiency.
Для минимизации резистивных потерь в настоящем ФД лазерного излучения включен слой 5 широкозонного окна из p-AlxGa1-xAs, с малым содержанием алюминия, высоким уровнем легирования и большой толщиной. При этом при концентрации алюминия более 10% он также исполняет роль лицевого барьера для эмиттерного слоя 4, препятствующего выходу фотогенерированных носителей. Это связано с тем, что при поглощении фотонов в диапазоне 800-860 нм не возникает «горячих» носителей с энергией, достаточной для выхода из эмиттерного слоя 4 в слой 5 широкозонного окна. Малая концентрация алюминия (менее 20%) в слое 5 широкозонного окна обеспечивает высокую удельную проводимость, которая, как известно, для слоев из AlGaAs уменьшается с увеличением концентрации алюминия из-за падения подвижности носителей заряда. Увеличение толщины контактного подслоя 7 приводит к пропорциональному уменьшению сопротивления растекания, так как ток при растекании между шинками течет вдоль слоя.To minimize the resistive losses in this PD of laser radiation,
При изготовлении ФД лазерного излучения необходимо удаление контактного подслоя 7 между шинками, чтобы минимизировать поглощение лазерного излучения в нем. Это обычно достигается химическим жидкостным травлением GaAs. Для обеспечения возможности изготовления структуры ФД лазерного излучения стандартными пост-ростовыми методами в настоящий ФД лазерного излучения введен широкозонный стоп-слой 6, с концентрацией алюминия 60-70%, являющийся стоп-слоем для травления контактного подслоя 7.In the manufacture of PD laser radiation, it is necessary to remove the
ПримерExample
Методом МОС-гидридной эпитаксии был изготовлен фотодетектор лазерного излучения на подложке из n-GaAs, включающий последовательно осажденные слои: слой тыльного барьера из n-AlGaAs толщиной 100 нм и уровнем легирования атомами кремния 1⋅1018 см-3, базовый слой из n-GaAs толщиной 3200 нм и уровнем легирования атомами кремния 1⋅1017 см-3, эмиттерный слой из p-GaAs толщиной 400 нм и уровнем легирования атомами цинка 1⋅1018 см-3, слой широкозонного окна из p-Al0,2Ga0,8As толщиной 1000 нм и уровнем легирования атомами цинка 1⋅1019 см-3, широкозонный стоп-слой из p-Al0.65Ga0.35As толщиной 50 нм и уровнем легирования атомами цинка 1⋅1018 см-3 и контактный подслой из p-GaAs толщиной 300 нм и уровнем легирования атомами цинка 1⋅1019 см-3.A method of MOS hydride epitaxy was used to fabricate a laser photodetector on an n-GaAs substrate, including successively deposited layers: a back-barrier layer of n-AlGaAs with a thickness of 100 nm and a doping level of silicon atoms of 1⋅10 18 cm -3 , a base layer of n- GaAs 3200 nm thick and doping with
Полученный ФД продемонстрировал высокий уровень квантового выхода в диапазоне 800-860 нм (фиг. 2), соответствующий практически полному поглощению фотонов и собиранию фотогенерированных носителей. При этом благодаря сниженному последовательному сопротивлению структуры ФД продемонстрировал КПД на уровне 59-60% вплоть до подводимой мощности лазерного излучения порядка 10 Вт/см2 и КПД более 54% вплоть до подводимой мощности лазерного излучения порядка 40 Вт/см2 (фиг. 3).The obtained PD demonstrated a high level of quantum yield in the range of 800–860 nm (Fig. 2), which corresponds to almost complete absorption of photons and collection of photogenerated carriers. Moreover, due to the reduced series resistance of the structure, the PD demonstrated an efficiency of 59-60% up to a supplied laser power of about 10 W / cm 2 and an efficiency of more than 54% up to a supplied laser power of about 40 W / cm 2 (Fig. 3) .
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016145473A RU2646547C1 (en) | 2016-11-22 | 2016-11-22 | Laser radiation photoconverter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016145473A RU2646547C1 (en) | 2016-11-22 | 2016-11-22 | Laser radiation photoconverter |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2646547C1 true RU2646547C1 (en) | 2018-03-05 |
Family
ID=61568809
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016145473A RU2646547C1 (en) | 2016-11-22 | 2016-11-22 | Laser radiation photoconverter |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2646547C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2696355C1 (en) * | 2018-12-25 | 2019-08-01 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Fiber-optical photoelectric converter of laser radiation |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4427841A (en) * | 1982-06-29 | 1984-01-24 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | Back barrier heteroface AlGaAs solar cell |
| US20110048519A1 (en) * | 2008-10-23 | 2011-03-03 | Alta Devices, Inc. | Photovoltaic device with increased light trapping |
| US8008572B2 (en) * | 2002-05-17 | 2011-08-30 | Ugur Ortabasi | Integrating sphere photovoltaic receiver employing multi-junction cells |
| RU2487438C1 (en) * | 2011-11-10 | 2013-07-10 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Photocell of space laser radiation detector-converter |
| RU2544704C1 (en) * | 2013-10-28 | 2015-03-20 | Открытое Акционерное Общество "Научно-Исследовательский И Проектный Институт Карбамида И Продуктов Органического Синтеза" (Оао Ниик) | Method of purifying sewage waters of melamine production |
-
2016
- 2016-11-22 RU RU2016145473A patent/RU2646547C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4427841A (en) * | 1982-06-29 | 1984-01-24 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | Back barrier heteroface AlGaAs solar cell |
| US8008572B2 (en) * | 2002-05-17 | 2011-08-30 | Ugur Ortabasi | Integrating sphere photovoltaic receiver employing multi-junction cells |
| US20110048519A1 (en) * | 2008-10-23 | 2011-03-03 | Alta Devices, Inc. | Photovoltaic device with increased light trapping |
| RU2487438C1 (en) * | 2011-11-10 | 2013-07-10 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Photocell of space laser radiation detector-converter |
| RU2544704C1 (en) * | 2013-10-28 | 2015-03-20 | Открытое Акционерное Общество "Научно-Исследовательский И Проектный Институт Карбамида И Продуктов Органического Синтеза" (Оао Ниик) | Method of purifying sewage waters of melamine production |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2696355C1 (en) * | 2018-12-25 | 2019-08-01 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Fiber-optical photoelectric converter of laser radiation |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR100974226B1 (en) | Backside surface passivation and reflection layer for Si solar cell by high-k dielectrics | |
| Biyikli et al. | Solar-blind AlGaN-based pin photodiodes with low dark current and high detectivity | |
| US8895846B2 (en) | Photovoltaic device | |
| US9029680B2 (en) | Integration of a photovoltaic device | |
| Khvostikov et al. | Photovoltaic laser-power converter based on AlGaAs/GaAs heterostructures | |
| KR20120034965A (en) | Solar cell | |
| ITMI20091285A1 (en) | PHOTOVOLTAIC CELL WITH HIGH CONVERSION EFFICIENCY | |
| TW201251079A (en) | Photon recycling in an optoelectronic device | |
| TW200849625A (en) | Low resistance tunnel junctions for high efficiency tandem solar cells | |
| Sugiyama et al. | Quantum wire‐on‐well (WoW) cell with long carrier lifetime for efficient carrier transport | |
| JP6920037B2 (en) | Antimony high bandgap tunnel junction for semiconductor devices | |
| JP2013504877A (en) | Dilute III-V nitride intermediate band solar cell with contact blocking layer | |
| RU2539102C1 (en) | Multijunction solar cell | |
| RU2646547C1 (en) | Laser radiation photoconverter | |
| JP2011077295A (en) | Junction type solar cell | |
| Kalinovskii et al. | The Effect of Charge Transport Mechanisms on the Efficiency of Al x Ga 1–x As/GaAs Photodiodes | |
| RU170349U1 (en) | GaAs-Based Photoconverter | |
| KR101964462B1 (en) | Compound semiconductor solar cell | |
| RU2442242C1 (en) | The multistage converters | |
| US10714653B2 (en) | Compound semiconductor solar cell and method of manufacturing the same | |
| US20170294547A1 (en) | Semiconductor layered structure, photodiode and sensor | |
| KR102175147B1 (en) | Solar cell and manufacturing method thereof | |
| Malevskaya et al. | Influence of the ohmic contact structure on the performance of GaAs/AlGaAs photovoltaic converters | |
| RU2364007C1 (en) | Multi-layer photo converter | |
| RU2607734C1 (en) | Method of making gaas-based photocell |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20190329 Effective date: 20190329 |